提高UO2芯块生产的成品率

1、提高UO2芯块生产的成品率燃料组件是反应堆的核心部件，其在堆内运行条件十分苛刻。UO2芯块是燃料组件的核心部件， UO2芯块的质量好坏对反 应堆安全稳定运行， 核电厂的安全性和经济性至关重要 1 。 UO2 芯块的成品率高低， 不仅影响金属铀的直收率， 还影响产品芯块 的质量。近年来随着公司产能的增加和 200 吨干法炉的投入使用， 芯 块制备的成品率小于 85%（干法粉末制备芯块），芯块制备中金 属铀的直收率一直维持在 92%左右，总体水平偏低，较低的成品 率和直收率导致废物料库存增加。1 现状调查1.1 制备芯块产生的废品增容量统计我们对近几年制备UO2芯块产生的废品平均吨增容量进行 了统

2、计，见图 2。从图 2 中可以看出， 2013 年产生的废物料量最多，且 2011-2013 年的废品增加量明显高于 2009-2010 年度。 2009-2010 年芯块废品平均增容量为 18kgU/吨，2011-2013年芯块废品平均 增容量50kgU/吨。芯块生产中废物料的容量增加表明近几年芯 块的制造水平有所下降。经分析认为在干法粉末产量不断增加的情况下， 粉末冶金车 间对干法粉末（特别是 200 吨干法炉生产的粉末）适应性不好， 造成芯块的成品率下降。 因此导致芯块生产成品率和金属直收率 不高的关键就是干法粉末制备芯块的成品率偏低。1.2 分析废品组成，找出问题结症 我们统计了近三年

3、芯块生产的成品率和金属直收率， 统计情 况见表 1。从表 1中可以看出，近两年随公司 200 吨干法炉的投入使用， 干法粉末制备芯块的产量迅速提高， 而湿法粉末制备的芯块产量 则逐步减少。 湿法粉末制备的芯块成品率明显高于干法粉末制备 芯块的成品率。为查找 2013 年干法粉末制备芯块成品率下降的 主要原因，分析了 2013 年产量最大的 2.4%富集度生产， 2.4%富 集度芯块生产粉末来源多样，既有 200 吨干法炉生产粉末的产 品，也有 100 吨干法炉生产粉末的产品， 还有湿法线生产的粉末 产品。表 2 为各类型粉末生产芯块的产量及成品率情况。2 原因分析针对芯块掉块缺陷、 掉盖缺陷以

4、及磨削渣过多的原因进行讨 论分析，整理出关联图 2。3 要因确认我们对原因分析中的 7 条末端因素进行了要因确认。3.1 粉末成型性能差 对影响生坯成型的干法及湿法粉末性能进行了比较， 结论：非要因3.2 生坯块强度低在芯块生产中对干法粉末制备UO2芯块和湿法粉末制备 UO2芯块的生坯块强度进行了试验。 实验表明湿法粉末制备的生坯块 的强度是干法粉末制备生坯块强度的6 倍。结论：要因3.3 压机出料轨道磨损 芯块成型压机的导轨定位孔是条形孔，当导轨产生磨损后， 出料槽的尺寸会偏大，导致生坯块在出料时相互的挤压力增加， 从而使生坯块表面产生破损。 但操作人员一般会定期对出料槽的 宽带进行检查，

5、一旦发现出料槽尺寸偏大会通过调整定位孔进行 调整。结论：非要因3.4 芯块尺寸偏小通过对芯块的磨削尺寸进行调查发现， 在实际生产中无论是 湿法粉末还是干法粉末制备的芯块， 在磨削过程中， 磨削直径均 控制在中值附近，芯块尺寸波动不大。结论：非要因3.5 生坯阴模尺寸偏大干法及湿法粉末制备芯块的磨削余量， 采用相同尺寸的阴模 内孔尺寸， 在相同的生坯密度条件下， 干法粉末制备的芯块比湿 法粉末制备的芯块烧结后尺寸偏大，直接降低了芯块的成品率。结论：要因3.6 生坯阴模磨损严重芯块模具设计中需要确定是阴模脱模锥度。 适宜的脱模锥度 可使生坯块从模具中排出时保持均匀的应力释放， 防止因弹性后 效不均

6、匀产生掉盖等缺陷。 在脱模锥度确定后， 我们对模具的内 孔径进行了检查，通过对阴模内 12 个不同测量点检查发现，生 坯阴模实测值为（10.09810.115 ） mm满足阴模尺寸10.10 0.05mm 的要求。结论：非要因3.7 成型压机保压力设置不足 成型压机为保证生坯块在脱模的过程中脱模稳定，受力均 匀，在生坯块的脱模阶段都使用脱模保压力来控制。 目前车间的 主要压机是比利时提供的 R53系列压机，保压的方式有弹簧保压 和气缸保压两种。我们分别对两种保压方式进行了调查。弹簧保压 弹簧保压的原理是在夹持冲头的上下夹具内放置一定数量 的蝶形弹簧片，在芯块生坯成型的时候弹簧受压产生弹簧保压

7、力，当生坯块在出模过程中弹簧力作用在生坯块的上下端面， 并 逐步释放， 从而使生坯块的上下端面脱模过程应力受控， 确保生 坯块完整。由于掉盖主要出现在芯块的上端， 因此重点对上夹具的弹簧 力进行了检查，发现该组弹簧是由 76 片组成，安装方式是单片 面对面安装， 安装的方式和数量都是完全满足设备操作手册的要 求，该蝶形弹簧片也是原厂进口。但在压制了 10吨的芯块后弹 簧力出现一定的下降，经受力检测弹簧力为 20kgf ，无法满足 30kgf 的要求。气缸保压 气缸保压是采用了气缸取代弹簧作为保压的力源。 压机上保 压装置由 5 块气压头组成， 每一个气压头都有一个气缸， 在气泵 向保压装置充压

8、后， 通过关闭阀门来保持气压的稳定。 对 其检查后发现上保压系统出现漏气， 它的气压下降速度较快， 生 产中压机上保压系统无法保持恒定的压力， 在正常使用时， 上保 压装置的气压为 3bar ，在一次充气后仅过了 10 分钟气压就降至 1bar ，还不到 10kgf 。而且，该保压系统所有的气缸都是同一个 压力，满足不了保压压力逐步释放的要求。即现有压机保压系统无法满足芯块保压需要。结论：要因4 制定及实施对策4.1 在芯块成型的过程中提高生坯块密度4.1.1 提高生坯密度的试验干法粉末之间的啮合不好， 颗粒之间的结合力差， 层与层之 间结合不紧。 通过不同密度生坯块的压溃试验证明， 不同生坯

9、密 度的芯块生坯强度有显著差异。我们针对干法粉末制备UO2芯块 提高生坯块密度进行了试验， 3种不同生坯密度 （5.8 、5.9 、6.0 ） g/cm3压制生坯块的压溃压力分别为266N 308N、393N,可见采用（5.9、6.0） g/cm3 生坯密度制备的生坯块强度相对于 5.8g/cm3 生坯密度制备的生坯块强度分别提高了 16%和 48%。4.1.2 生产中提高生坯密度 生产中将干法粉末制备芯块的生坯块密度提高， 提高前后生 产的芯块掉块比例统计见表 3。由表 3 可以看出，提高芯块的生 坯密度对解决掉块的问题有显著作用。4.2 成型压机阴模内孔直径的重新设计和加工将各数值带入计算

10、后的结果为10.01mm之间，最终选择的是10.00mm的阴模，相对原有 10.10mm的阴模直径减少了 0.1mm。4.3 调整蝶形弹簧片数量4.3.1 方案比较经对弹簧保压力不足的问题讨论， 认为弹簧的疲劳是一种渐 变的趋势， 我们可以通过增加弹簧片来增加弹簧力， 即使蝶形弹 簧片出现疲劳但仍然可以在较长时间保持在 30kgf 以上。拟定了 两种方案，见表 9。4.3.2 方案实施 采用将确定的方案投入大规模生产中， 并对成型压机生产的 芯块进行了检查，没有发现因设备问题而造成的芯块掉盖缺陷。4.4 成型压机气缸保压系统的改进4.4.1 方案比较 对压机气缸保压系统进行改进，经讨论后形成两

11、个对比方案，见表 4 所示。4.4.2 方案实施根据方案对比确定了最终方案。我们使用了 3 台三联体对 5 个上保压缸进行控制， 并且实现了上保压力的梯级控制。 在大规 模生产应用中， 我们对压机生产芯块进行了检查， 没有发现因设 备问题而造成的芯块掉盖缺陷。5 实施效果检查通过实施改进措施， 2014年3月至 11月生产的 3.1%、1.8%、 3.2%、2.6%、2.4%、3.4%及 4.45%等 7 个富集度近 430吨芯块， 其中采用干法粉末的有 3.1%、1.8%、2.6%、2.4%及 4.45%富集度 近 365 吨芯块。表 5 是今年 3 月以来各富集度芯块的生产情况统 计。5.

12、1 芯块的成品率情况5.2 芯块的金属直收率情况由于衡算工作一般较晚， 部分的富集度未完成衡算， 但 2.6%、 3.1%和 2.4%富集度的直收率均超过了 93%，而且产出投入比都较 好，多数富集度生产超过了 1.00 。5.3 废物增容的控制情况对 2014 年物料库存增量进行统计，可以看出知，今年芯块 生产中不但没有增加废物量，反而减少了约10 吨的废物料，取得很好的效果。6 结论(1) 通过对造成UO2芯块成品率和金属直收率偏低的原因进行调查和分析， 找出影响产品芯块成品率和金属直收率的主要 原因，并针对其制订和实施了对策， 达到了提高UO2芯块成品率 和金属直收率的目的。产品芯块的成品率由84.79%提高到88.34%，提高了 3.55%；芯块的金属直收率由 92%提高到 95.3%， 提高了 3.3%；（2）在提高芯块生产的成品